GLUCOLISIS - REACCIONES - REGULACION

Digestión de los Carbohidratos de la Dieta

Los carbohidratos de la dieta de los que los humanos tomamos energía entran en el organismo en una forma compleja, en forma de monosacáridos, disacáridos, polímetros de almidón (amilasa y amilopectina) y glicógeno. El polímero celulosa (también formado por glucosas) también es consumido pero no digerido. El primer paso en el metabolismo de los carbohidratos que se pueden digerir es la conversión de grandes polímetros a estructuras más simples, formas solubles que puedan ser transportados a través del epitelio intestinal para ser distribuidos a los tejidos. La digestión de los polímetros de carbohidratos se inicia en la boca. La saliva tiene un pH un poco acídico 6.8 y contiene a la amilasa lingual que inicia la degradación de los carbohidratos. La acción de la amilasa lingual está limitada a la boca y esófago; es virtualmente inactivada por el pH más fuerte del estomago. Una vez que la comida ha llegado al estomago, la hidrólisis ácida contribuye a la degradación: proteasas y lipasas gástricas ayudan a la digestión de la comida. La mezcla de las secreciones gástricas, saliva, y comida se llama colectivamente quimo, y se mueve hacia el intestino delgado.

La enzima más importante para degradar los polímetros de carbohidratos en el intestino delgado es la α-amilasa. Esta enzima es secretada por el páncreas y tiene la misma actividad que la amilasa de la saliva, produciendo disacáridos y trisacáridos. Estos últimos son convertidos a monosacáridos por sacaridasas intestinales, incluyendo maltasas, que hidrolizan di- y tri-sacáridos, y las enzimas más especificas las disacaridasas, sucrasa, lactasa, y trealasa. El resultado neto es la conversión casi completa de los carbohidratos digeribles a sus componentes monosacáridos. La glucosa resultante y otros carbohidratos simples son transportados a través del epitelio intestinal a la vena portal hepática y luego a las células hepáticas y a otros tejidos. Allí, estos azucares simples son convertidos a ácidos grasos, aminoácidos, y glicógeno, o sino oxidados por varias vías metabólicas celulares.

La oxidación de la glucosa se conoce como glucólisis. La glucosa es oxidada a lactato o piruvato. Bajo condiciones aeróbicas, el producto dominante en la mayoría de tejidos es el piruvato y la vía metabólica se conoce como glucólisis aeróbica. Cuando el oxígeno esta disminuido, como por ejemplo durante el ejercicio prolongado y vigoroso, el producto glucolítico dominante en muchos tejidos es el lactato y el proceso se conoce con el nombre de glucólisis anaerobia.

La Energía que se Deriva de la Oxidación de la Glucosa

La glucólisis aerobia de glucosa a piruvato, requiere dos equivalentes de ATP para activar el proceso, con la subsiguiente generación de cuatro equivalentes de ATP y dos equivalentes de NADH. Así, la conversión de un mol de glucosa a dos moles de piruvato se acompaña de la producción neta de dos moles de ATP y NADH.

Glucosa + 2 ADP + 2 NAD+ + 2 Pi ——> 2 Pyruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+

El NADH que se genera durante la glucólisis se utiliza para incrementar la síntesis de ATP en la mitocondria por medio del fenómeno de fosforilación oxidativa. Produciendo dos o tres equivalentes de ATP dependiendo la forma de transporte del NADH a la mitocondria, por el transportados glicerol fosfato o por el transportador malato-aspartato.

Por tanto la producción neta de la oxidación de un mol de glucosa a dos moles de piruvato puede ser seis u ocho moles de ATP. La oxidación completa de dos moles de piruvato, a través del ciclo tricarboxílico, rinde 30 moles adicionales de ATP; la producción total de la oxidación de una mol de glucosa a CO₂ y H₂O por tanto es de 36 o 38 moles de ATP.

Las Reacciones Individuales de la Glucólisis

La vía de la glucólisis puede verse como que esta formada de dos fases separadas. La primera es la fase de activación que requiere energía en la forma de ATP, y la segunda es considerada la fase de producción. En la primera fase, se utilizan dos equivalentes de ATP para convertir la glucosa en fructosa 1,6-bifosfato (F1,6BP). En la segunda fase la F1,6BP se degrada a piruvato, con la producción de 4 equivalentes de ATP y dos equivalentes de NADH.

Vía de la glucólisis de glucosa a piruvato. Los substratos y productos están en azul, las enzimas en verde. Los dos intermediarios de alta energía cuya oxidación se acopla a la síntesis de ATP se indican en rojo (1,3-bifosfoglicerato y fosfoenolpiruvato). Coloque el cursor sobre los nombres de los intermediarios para ver las estructuras químicas.

La reacción de la Hexocinasa

La fosforilación de la glucosa dependiente de ATP para formar glucosa 6-fosfato (G6P) es la primera reacción de la glucólisis, y es catalizada por isoenzimas que son específicas de los tejidos que se conocen con el nombre de hexocinasas. La fosforilación logra dos objetivos: Primero, la reacción de la hexocinasa convierte la glucosa no iónica en un anión que es atrapado en la célula, ya que las células carecen de sistemas de transporte para azucares fosforilados. Segundo, la glucosa inerte se activa a una forma capaz de ser metabolizada.

Se conocen cuatro isozimas de mamíferos para la hexocinasa que se conocen como (Tipos I-IV), la isozima tipo IV se conoce como glucocinasa. La glucocinasa es la forma de la enzima que se encuentra en los hepatocitos y en las células beta del páncreas. El alto Km de la glucocinasa para la glucosa indica que esta enzima se satura solamente a muy altas concentraciones de substrato.

Comparación de las actividades de la hexocinasa y glucocinasa. El Km para la hexocinasa es significativamente más baja (0.1 mM) que para la glucocinasa (10 mM). Esta diferencia asegura que los tejidos no hepáticos (que contienen hexocinasa) atrapen la glucosa en forma rápida y eficiente con sus células al convertirla en glucosa-6-fosfato. Una función importante del hígado es entregar glucosa a la sangre y esto es posible al tener una enzima hepática que fosforila la glucosa (glucocinasa) cuyo Km es lo suficientemente más alto que la concentración normal de glucosa circulante (5 mM).

Esta característica de la glucocinasa hepática permite al hígado amortiguar “buffer” la glucosa sanguínea. Después de las comidas, cuando los niveles postprandiales de la glucosa son altos, la glucocinasa hepática está significativamente activa, lo que hace que el hígado preferentemente atrape y almacene la glucosa circulante. Cuando la glucosa sanguínea cae a niveles muy bajos, los tejidos como en el hígado y riñones, que contienen glucocinasa pero que no son altamente dependientes de glucosa, no continúan utilizando la glucosa que esta disponible. Al mismo tiempo, tejidos como en el cerebro, que son críticamente dependientes de glucosa, continúan extrayendo la glucosa sanguínea utilizando sus hexocinasas con bajo Km, y en consecuencia su viabilidad está protegida. Bajo varias condiciones de deficiencia de glucosa, tales como periodos largos entre las comidas, el hígado se estimula para liberar glucosa a la sangre por medio de la vía de gluconeogénesis. Los niveles de glucosa producidos durante la gluconeogénesis son insuficientes para activar la glucocinasa, permitiendo que la glucosa salga de los hepatocitos a la sangre.

La regulación de las actividades de la hexocinasa y de la glucocinasa también es diferente. Las hexocinasas I, II, y III son inhibidas alostéricamente por la acumulación del producto (G6P), mientras que la glucocinasa no lo es. Esto último favorece la acumulación de reservas de glucosa en el hígado durante periodos de exceso de glucosa, mientras se favorece la utilización de glucosa en la periferia cuando se requiera glucosa como energía por otros tejidos.

Fosfohexosa isomerasa:

La segunda reacción de la glucólisis es una isomerización en la que, la G6P se convierte en fructosa 6-fosfato (F6P). La enzima que cataliza esta reacción es la fosfohexosa isomerasa (también conocida como fosfoglucosa isomerasa). La reacción es reversible a las concentraciones celulares normales de las dos hexosa fosfato y por tanto su actividad está presente tanto en la glucólisis como en la gluconeogénesis.

6-fosfofructo-1-Cinasa (Fosfofructocinasa-1, PFK-1):

La siguiente reacción de la glucólisis envuelve la utilización de un segundo ATP para convertir la F6P a fructosa 1,6-bifosfato (F1,6BP). Esta reacción es catalizada por la 6-fosfofructo-1-cinasa, mejor conocida como Fosfofructo-cinasa-1 o PFK-1. Esta reacción no es rápidamente reversible debido a su gran energía libre positiva (ΔG^0' = +5.4 kcal/mol) en su dirección reversa. De todas maneras las unidades de fructosa fluyen fácilmente en dirección reversa (gluconeogénesis) debido a la presencia en todas las células de la enzima hidrolítica fructosa-1,6-bisfosfatasa (F-1,6-BFasa).

La presencia de estas dos enzimas en el mismo compartimiento celular provee un ejemplo de un ciclo metabólico fútil, que si no es regulado rápidamente podría vaciar el almacenamiento de energía de la célula. Sin embargo, la actividad de estas dos enzimas es tan altamente regulada que la PFK-1 es considerada como la enzima limitante de la glucólisis y la F-1,6-BFasa es considerada la enzima limitante de la gluconeogénesis.

Aldolasa:

La aldolasa cataliza la hidrólisis de la F1,6BP en dos productos de tres carbonos: la dihidroxiacetona fosfato (DHAP) y el gliceraldehido 3-fosfato (G3P). La reacción de la aldolasa es reversible y se utiliza tanto en la glucólisis como en la gluconeogénesis.

Triosa Fosfato isomerasa:

Los dos productos de la reacción de la aldolasa se equilibran fácilmente en una reacción catalizada por la triosa fosfato isomerasa. Las reacciones subsecuentes de la glucólisis utilizan el G3P como sustrato; la reacción de la aldolasa se dirige en la dirección de la glucólisis por principios de acción de masa.

Gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa:

La segunda fase del catabolismo de la glucosa esta dada por reacciones que producen energía como ATP y NADH. En la primera de estas reacciones, la gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa (G3PDH) cataliza la oxidación de G3P a 1,3-bifosfoglicerato (1,3BPG) que es NAD+ dependiente. La reacción de la G3PDH es reversible, y la misma enzima cataliza la reacción reversa durante la gluconeogénesis.

Fosfoglicerato cinasa:

El fosfato de alta energía 1,3BPG es utilizado para formar ATP y 3-fosfoglicerato (3PG) por acción de la enzima fosfoglicerato cinasa. Note que esta es la única reacción de la glucólisis o gluconeogénesis que involucra ATP y aun así es reversible bajo condiciones normales. Asociada con la reacción de la fosfoglicerato cinasa esta una reacción importante en los eritrocitos, la formación del 2,3-bifosfoglicerato, 2,3BPG (ver la figura que sigue) por acción de la enzima 2,3-bifosfoglicerato mutasa. El 2,3BPG es un regulador importante de la afinidad de la hemoglobina para el oxigeno. Note también que la 2,3-bifosfoglicerato fosfatasa degrada al 2,3BPG a 3-fosfoglicerato, un intermediario normal de la glucólisis. El cortocircuito del 2,3BPG por tanto opera con el gasto de 1 equivalente de ATP por triosa que pasa por el. El proceso no es reversible bajo condiciones fisiológicas.

La vía de síntesis para el 2,3bisfoglicerato (2,3BPG) en eritrocitos. La síntesis del 2,3BPG representa una vía de síntesis importante para el consumo de glucosa en los eritrocitos. La síntesis de 2,3BPG en los eritrocitos es critica para controlar la afinidad de la hemoglobina por el oxigeno. Note que cuando la glucosa se oxida por esta vía el eritrocito pierde su habilidad de ganar 2 moles de ATP que se derivan de la oxidación glucolítica del 1,3-BPG a 3-fosfoglicerato por la reacción de la fosfoglicerato cinasa.

Fosfoglicerato mutasa y Enolasa:

Las reacciones restantes de la glucólisis están dirigidas a convertir el fosfoacil-ester de 3PG de baja energía a una forma de alta-energía y obtener el fosfato como ATP. El 3PG es primero cambiado a 2PG por la fosfoglicerato mutasa y la conversión del 2PG a fosfoenolpiruvato (PEP) es catalizada por la enolasa.

Piruvato Cinasa:

La reacción final de la glucólisis aerobia es catalizada por la enzima altamente regulada piruvato cinasa (PK). En esta reacción fuertemente exergónicas, el fosfato de alta-energía del PEP se conserva como ATP. La perdida del fosfato por el PEP da lugar a la formación de piruvato en una forma enol que es inestable que espontáneamente se tautomeriza a la forma más estable, ceto del piruvato. Esta reacción contribuye a la gran proporción de energía libre por la hidrólisis del PEP.

Glucólisis Anaerobia

Bajo condiciones aeróbicas, en la mayoría de células, el piruvato es posteriormente metabolizado vía del ciclo del acido tricarboxílico o ciclo de Krebs. Bajo condiciones anaerobias y en los eritrocitos bajo condiciones aeróbicas, el piruvato es convertido a lactato por la enzima lactato deshidrogenasa (LDH), y el lactato es entonces transportado fuera de la célula a la circulación. La conversión de piruvato a lactato, bajo condiciones anaerobias, da a la célula un mecanismo para la oxidación del NADH (generado durante la reacción de la G3PDH) a NAD⁺ que ocurre durante la reacción catalizada por la LDH. Esta reducción se requiere ya que el NAD⁺ es un sustrato necesario para la G3PDH, sin la cual la glucólisis se detendría. Normalmente, durante la glucólisis aerobia los electrones del NADH citoplasmático son transferidos a transportadores mitocondriales de la vía de la fosforilación oxidativa generando así una reserva continua de NAD⁺ citoplasmático.

La glucólisis aerobia genera más ATP por mole de glucosa oxidada que la glucólisis anaerobia. La utilidad de la glucólisis anaerobia, para una célula muscular cuando esta necesita grandes cantidades de energía, se logra por el hecho de que la velocidad de la producción de ATP por la glucólisis es aproximadamente 100 veces más rápida que la fosforilación oxidativa. Durante el ejercicio las células musculares no necesitan dar energía para vías de reacción anabólicas. El requerimiento es generar la cantidad máxima de ATP, para la contracción muscular, en el periodo más corto de tiempo. Es por esto que las células musculares obtienen la mayoría del ATP consumido de la glucólisis anaerobia.

Regulación de la glucólisis

Las reacciones catalizadas por la hexocinasa, PFK-1, y PK proceden con una disminución relativa de energía libre. Estas reacciones de no-equilibrio de la glucólisis serian candidatas ideales para la regulación del flujo de esta vía. En verdad, estudios in Vitro han demostrado que estas tres enzimas son controladas alostéricamente.

La regulación de la hexocinasa, sin embargo, no es el principal punto de control de la glucólisis. Esto se debe a que cantidades grandes de G6P se derivan de la ruptura del glicógeno (el mecanismo predominante de la entrada de los carbohidratos en la vía de la glucólisis en el músculo esquelético) y, por tanto, la reacción de la hexocinasa no es necesaria. La regulación de la PK es importante para la reversión de la glucólisis cuando la concentración de ATP es alta para que se pueda activar la gluconeogénesis. Como tal esta reacción catalizada por la enzima PK no es un punto de control importante en la glucólisis. El punto limitante en la glucólisis es la reacción catalizada por la PFK-1.

La PFK-1 es una enzima tetramérica que existe en dos estados de conformación llamados R y T y que están en equilibrio. El ATP es tanto un sustrato como un inhibidor alostérico de la PFK-1. Cada subunidad tiene dos sitios de unión para el ATP, un sitio para el sustrato y un sitio inhibitorio. El sitio del sustrato se une al ATP con la misma afinidad independientemente de su conformación R o T. El sitio inhibitorio se une al ATP solamente cuando la enzima esta en la conformación T. El otro sustrato para le PFK-1 es la F6P y se une preferentemente a la enzima en el estado R. A concentraciones altas de ATP, el sitio inhibitorio se ocupa y cambia el equilibrio en la conformación de la PFK-1 al estado T disminuyendo la habilidad de la PFK-1 para unirse a la F6P. La inhibición de la PFK-1 por el ATP se elimina por las concentraciones de AMP que se une al estado R de la enzima y por tanto estabiliza la conformación de la enzima para que pueda unirse a la F6P. El regulador alostérico más importante tanto de la glucólisis como de la gluconeogénesis es la fructosa 2,6-bifosfato, F2,6BP, que no es un intermediario de la glucólisis o de la gluconeogénesis.

Regulación de la glucólisis y de la gluconeogénesis por la fructosa 2,6-bifosfato (F2,6BP). Los sitios más importantes de la regulación de la glucólisis y de la gluconeogénesis son las reacciones catalizadas por la fosfofructocinaca-1 (PFK-1) y la fructosa 1,6-bifosfatasa (F-1,6BPasa). La enzima regulatoria fosfofructocinasa-2/fructosa-2,6-bifosfatasa tiene dos actividades enzimáticas la actividad de Cinasa dada por la PFK-2 y la actividad de fosfatasa dada por la F-2,6-BPasa. La PKA (PKA) es una cinasa dependiente del AMP cíclico (cAMP) que fosforila la PFK-2/F-2,6-BPasa activando la actividad de fosfatasa. (+vo) y (-vo) se refieren a actividades positivas y negativas, respectivamente.

La síntesis de la F2,6BP es catalizada por la enzima bi-funcional fosfofructocinasa-2/fructosa-2,6-bifosfatasa (PFK-2/F-2,6-BPasa). En la forma no-fosforilada la enzima se conoce con el nombre de PFK-2 (PFK-2) y sirve para catalizar la síntesis de la F2,6BP por la fosforilación de la fructosa 6-fosfato. El resultado es que la actividad de la PFK-1 es fuertemente estimulada y la actividad de la F-1,6-BFasa está fuertemente inhibida.

Bajo condiciones en donde la PFK-2 está activa, el flujo de la fructosa a través de las reacciones PFK-1/F-1,6BPasa sigue la dirección de la glucólisis, con la producción neta de F1,6BP. Cuando la enzima bi-funcional esta fosforilada no tiene la actividad de cinasa, sino un nuevo sitio activo hidroliza la F2,6BP a F6P y a un fosfato inorgánico. El resultado metabólico de la fosforilación de la enzima bi-funcional es que la estimulación alostérica de la PFK-1 se detiene, la inhibición alostérica de la F-1,6BPasa se elimina, y el flujo neto de la fructosa a través de estas dos enzimas es glucogénico, produciendo F6P y eventualmente glucosa.

El intercambio de la enzima bi-funcional es catalizado por la enzima dependiente del cAMP, la proteíncinasa A (PKA), la misma que es regulada por hormonas peptídicas circulantes. Cuando los niveles de glucosa bajan, la producción pancreática de la insulina disminuye, la secreción de glucagón se estimula, y la circulación de glucagón aumenta. Hormonas como el glucagón se unen a receptores en la membrana celular en células del hígado, activando la enzima localizada en la membrana celular, la adenilatociclasa que lleva a un incremento en la conversión del ATP a cAMP (ver diagrama que sigue). El cAMP se une a las subunidades regulatorias de la PKA, produciendo la liberación y activación de sus unidades catalíticas. La PKA fosforila numerosas enzimas, incluyendo la enzima bi-funcional PFK-2/F-2,6BPasa. Bajo estas condiciones el hígado para de consumir glucosa y se vuelve metabolitamente glucogénico, generando glucosa para reestablecer la normo-glicemia.

Representación de la vía de activación de la proteincinasa A dependiente de cAMP. En este ejemplo el glucagón se une a su receptor en la superficie de la célula, por tanto activándolo. La activación del receptor esta unida a la activación de la proteína G acoplada al receptor (proteína que se une e hidroliza al GTP) que esta compuesta de 3 subunidades. Luego de su activación, la subunidad alpha se disocia y se une y activa a la enzima adenilatociclasa. La adenilatociclasa entonces convierte al ATP en AMP-cíclico (cAMP). El cAMP así producido se une a las subunidades regulatorias de la PKA dando lugar a la disociación de estas subunidades de las unidades catalíticas de la enzima. Las unidades catalíticas son inactivas hasta que se disocian de las subunidades regulatorias. Una vez liberadas las unidades catalíticas de la PKA fosforilan numerosos sustratos utilizando al ATP como donador de fosfatos.

La regulación de la glucólisis también ocurre en el paso catalizado por la piruvato Cinasa (PK). La enzima hepática ha sido la más estudiada in vitro. Esta enzima es inhibida por el ATP y por la acetil-CoA y es activada por la F1,6BP. La inhibición de la PK por el ATP es similar al efecto del ATP sobre la PFK-1. La unión del ATP al sitio inhibitorio reduce su afinidad por el PEP. La enzima hepática también es regulada a nivel de su síntesis. El aumento en el consumo de carbohidratos induce la síntesis de la PK lo que resulta en un aumento del nivel celular de la enzima.

Se han descrito un número de isoenzimas de PK. La isoenzima hepática (tipo-H), característica de tejidos gluconeogénicos, se regula por fosforilación a cargo de la PKA, mientras que la isoenzima de tipo-M que se encuentra en el músculo, cerebro, y otros tejidos que requieren glucosa no se afecta por acción de la PKA. Como consecuencia de estas diferencias, los niveles de glucosa sanguínea y las hormonas asociadas pueden regular el balance de la gluconeogénesis y glucólisis hepáticas mientras el metabolismo del músculo se mantiene sin cambio.

En los eritrocitos, la isoenzima fetal PK tiene mayor actividad que la isoenzima del adulto; como resultado, los eritrocitos fetales tienen comparativamente concentraciones bajas de intermediarios de la glucólisis. Debido a las bajas concentraciones basales del 1,3BPG fetal, la vía del 2,3BPG (ver diagrama anterior) esta disminuida en las células fetales y muy poco 2,3BPG se forma. Debido a que el 2,3BPG es un efector negativo de la afinidad de la hemoglobina para el oxigeno, los eritrocitos fetales tienen una afinidad más alta para el oxigeno que los eritrocitos maternos. Por tanto, se favorece la transferencia del oxigeno de la hemoglobina de la madre a la hemoglobina fetal, asegurando la disponibilidad de oxigeno fetal. En el recién nacido, una isoenzima eritrocitaria del tipo-M con una actividad de PK baja desplaza al isótopo fetal, lo que resulta en una acumulación de intermediarios glucolíticos. El incremento de los niveles de 1,3BPG activa la vía del 2,3BPG, produciendo 2,3BPG que se necesita para regular la afinidad del oxigeno a la hemoglobina.

Se conocen enfermedades genéticas de la PK en eritrocitos de adultos en los que la cinasa prácticamente esta inactiva. Los eritrocitos de los individuos afectados tienen una capacidad muy reducida para hacer ATP y por tanto no tienen suficiente ATP para realizar actividades tales como bombeo de iones para el mantenimiento del balance osmótico. Estos eritrocitos tienen una vida-media corta, se destruyen fácilmente, y son responsables de algunos casos de anemia hemolítica hereditaria.

La isoenzima PK del hígado se regula por fosforilación, efectores alostéricos, y modulación de su expresión genética. Los efectores alostéricos más importantes son F1,6BP, que estimula la actividad de la PK al disminuir su Km para el PEP, y por el efector negativo, el ATP. La expresión del gen hepático de la PK es fuertemente influenciado por la cantidad de carbohidratos en la dieta, las dietas ricas en carbohidratos inducen hasta 10 veces la enzima, incrementando sus concentraciones comparadas con dietas bajas en carbohidratos. La PK hepática es fosforilada e inhibida por la PKA, y por tanto esta bajo control hormonal parecido al que se describió anteriormente para la PFK-2.

La PK del músculo (tipo-M) no es regulada por los mismos mecanismos de la enzima del hígado. Las condiciones extracelulares que llevan a la fosforilación e inhibición de la PK en el hígado, como las bajas concentraciones de glucosa y altos niveles de glucagón circulante, no inhiben la enzima muscular. El resultado de esta regulación diferenciada es que hormonas como el glucagón y la epinefrina favorecen la gluconeogénesis hepática al inhibir la glucólisis en el hígado, mientras que al mismo tiempo, la glucólisis muscular puede proceder de acuerdo a las necesidades requeridas por las condiciones intracelulares.

Destinos Metabólicos del Piruvato

El piruvato es la molécula a partir de la cual la glucólisis se ramifica. El destino final de la glucólisis depende del estado de oxidación de la célula. En la reacción catalizada por la G3PDH una molécula de NAD⁺ se reduce a NADH. Con el propósito de mantener el estado re-dox de la célula, este NADH debe re-oxidarse a NAD+. Durante la glucólisis aerobia esto sucede en la cadena de transporte de electrones en la mitocondria generando ATP. Así, durante la glucólisis aerobia el ATP se genera de la oxidación de la glucosa directamente en las reacciones de la PGK y PK así como también indirectamente por la re-oxidación del NADH en la vía de la fosforilación oxidativa. Moléculas adicionales de NADH se generan durante la oxidación aeróbica completa del piruvato en el ciclo de Krebs. El piruvato entra en este ciclo en la forma de acetil.CoA que es el producto de la reacción de la piruvato deshidrogenasa. El destino del piruvato durante la glucólisis anaerobia es su reducción a lactato.

Metabolismo del Lactato

Durante la glucólisis anaerobia, ese periodo de tiempo en que la glucólisis fluye a gran velocidad (o en organismos anaerobios), la oxidación del NADH sucede a través de la reducción de un sustrato orgánico. Los eritrocitos y el músculo esquelético (bajo condiciones de ejercicio) obtienen todas sus necesidades de ATP a través de la glucólisis anaerobia. La gran cantidad de NADH producido se oxida por la reducción de piruvato a lactato. Esta reacción se hace por acción de la enzima lactato deshidrogenasa (LDH). El lactato producido durante la glucólisis anaerobia se difunde desde los tejidos y se transporta a tejidos altamente aerobios como el corazón y el hígado. Entonces el lactato es oxidado a piruvato en estas células por la LDH y el piruvato es posteriormente oxidado en el ciclo de Krebs. Si el nivel de energía es estas células es alto, los carbonos del piruvato serán dirigidos de regreso a glucosa por la vía metabólica de la gluconeogénesis.

Las células de los mamíferos contienen dos tipos diferentes de subunidades de la LDH, llamadas M y H. Las combinaciones de estas subunidades diferentes dan lugar a la formación de isoenzimas de LDH con características diferentes. La subunidad tipo H predomina en tejidos aerobios como el músculo cardiaco (como el tetrámero H4) mientras que la subunidad M predomina en tejidos anaerobios como el músculo esquelético (como el tetrámero M4). La LDH H4 tiene un Km bajo para el piruvato y también es inhibida por concentraciones altas de piruvato. La LDH M4 tiene un Km alto para el piruvato y no es inhibida por el piruvato. Esto sugiere que la LDH del tipo H se utiliza para oxidar al lactato a piruvato y la del tipo M de piruvato a lactato.

Metabolismo del etanol

Las células animales (principalmente los hepatocitos) contienen la enzima citoplasmática alcohol deshidrogenasa (ADH) que oxida el etanol a acetaldehído. El acetaldehído luego ingresa a la mitocondria en donde se oxida a acetato por acción de la acetaldehído deshidrogenasa (AcDH).

El acetaldehído se une a proteínas, ácidos nucleicos, y otros compuestos, el resultado de lo cual es sus efectos tóxicos secundarios (el chuchaqui) que se asocia con el consumo de alcohol. Las reacciones catalizadas por la ADH y la AcDH también llevan a la reducción de NAD⁺ a NADH. Los efectos metabólicos de la intoxicación por el alcohol se deben a la acción de las enzimas ADH y AcDH y el desbalance que resulta entre el NADH/NAD⁺. El NADH que se produce en el citoplasma por la ADH debe reducirse a NAD⁺ por el transportador malato-aspartato o el transportador glicerol-fosfato.

Así, la habilidad de un individuo para metabolizar el etanol depende de la capacidad de los hepatocitos para sostener cualquiera de estos sistemas de transporte, que a la vez son afectados por el ciclo de Krebs en la mitocondria cuya velocidad de acción depende del NADH producido por la reacción de la AcDH. La reducción a NAD⁺ dificulta el flujo de la glucosa en la glucólisis en la reacción de la gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa, limitando de esta forma la producción de energía. Además, existe un incremento en la producción de lactato hepático debido al efecto del incremento de NADH en la dirección de la reacción del lactato deshidrogenasa (LDH). Esta reversión de la reacción de la LDH en los hepatocitos disminuye el piruvato para la gluconeogénesis dando lugar a una disminución en la capacidad del hígado para producir glucosa.

Además de los efectos negativos del radio alterado de NADH/NAD⁺ sobre la gluconeogénesis, la oxidación de los ácidos grasos también se encuentra reducida debido a que este proceso requiere NAD⁺ como cofactor. De hecho lo opuesto sucede, se incrementa la producción de ácidos grasos y hay un incremento en la producción de triglicéridos en el hígado. En la mitocondria, la producción de acetato a partir de acetaldehído da lugar a niveles altos de acetil-CoA. Debido a que la generación incrementada de NADH también disminuye la actividad del ciclo de Krebs, la acetil-CoA es dirigida para la síntesis de ácidos grasos. La disminución del NAD⁺ en el citoplasma lleva a una disminución en la actividad de la enzima glicerol-3-fosfato deshidrogenasa (en la dirección del glicerol-3-fosfato a DHAP) lo que resulta en niveles altos de glicerol 3-fosfato que es el esqueleto para la síntesis de triglicéridos. Estos dos eventos llevan al depósito de ácidos grasos en el hígado dando lugar al síndrome de hígado graso.

Regulación de los Niveles de Glucosa en la Sangre

Si no existiera ninguna otra razón, es debido a la demanda de glucosa por parte del cerebro para su oxidación que el cuerpo humano exquisitamente regula el nivel de glucosa en la sangre. Este nivel se mantiene en el rango de 5mM.

Casi todos los carbohidratos que se consumen en la dieta son convertidos a glucosa luego de su transporte al hígado. El catabolismo de las proteínas de las células o de la dieta genera átomos de carbono que pueden ser utilizados para la síntesis de glucosa por la gluconeogénesis. Además, otros tejidos a parte del hígado que oxidan la glucosa en forma incompleta (predominantemente el músculo esquelético y los eritrocitos) generan lactato que puede ser convertido a glucosa en la gluconeogénesis.

El mantenimiento de la homeostasis de la glucosa sanguínea es de primordial importancia para la sobrevida del organismo humano. El órgano predominante que responde a señales que indican niveles de glucosa bajos o altos es el hígado. Ciertamente, una de las funciones más importantes del hígado es producir glucosa para circulación. Los niveles bajos o altos de glucosa inducen respuestas hormonales para que se inicien vías diseñadas para re-establecer la homeostasis de la glucosa. Los niveles bajos de glucosa estimulan la liberación de glucagón de las células alpha del páncreas. Concentraciones altas de glucosa estimulan la liberación de insulina de las células beta del páncreas. Señales adicionales como ACTH y hormona de crecimiento de la hipófisis anterior actúan para incrementar la glucosa sanguínea inhibiendo su transporte por parte de tejidos extra-hepáticos. Los glucocorticoides también actúan para incrementar los niveles de glucosa sanguínea inhibiendo su transporte a las células. El cortisol, el principal glucocorticoide secretado en la corteza adrenal, se libera en respuesta al incremento de ACTH circulante. La hormona de la medula adrenal, epinefrina, estimula la producción de glucosa mediante la activación de la glucogenolisis en respuesta a estímulos de estrés.

La unión del glucagón a su receptor en la superficie de la célula hepática da lugar a un incremento en la producción de cAMP y aumentando al glucogenolisis por medio de la activación de la glicógeno fosforilasa por la cascada de la PKA. Esta es la misma respuesta que tienen los hepatocitos a la liberación de epinefrina. Los niveles altos resultantes de G6P en los hepatocitos son hidrolizados para producir glucosa libre por la glucosa-6-fosfatasa, que entonces se difunde a la sangre. La glucosa entra a células extra-hepáticas en donde es re-fosforilada por la hexocinasa. Debido a que las células musculares y cerebrales no tienen glucosa-6-fosfatasa, el producto de la hexocinasa la glucosa-6-fosfato es retenida y oxidada por estas células.

En oposición a las respuestas celulares al glucagón (y epinefrina en los hepatocitos), la insulina estimula el transporte de glucosa desde la sangre e inhibe la glucogenolisis en tejidos extra hepáticos y contrariamente estimula la síntesis de glicógeno. Tan pronto como la glucosa entra en los hepatocitos se une e inhibe la actividad de la glicógeno fosforilasa. La unión de la glucosa libre estimula la de-fosforilación de la fosforilasa y por tanto la inactiva. ¿Por que la glucosa que entra en los hepatocitos no es inmediatamente fosforilada y oxidada? Las células hepáticas contienen una isoforma de la hexocinasa llamada glucocinasa. La glucocinasa tiene una afinidad mucho más baja para la glucosa que la hexocinasa. Por tanto, no esta completamente activa en los rangos fisiológicos de la glucosa sanguínea. Además, la glucocinasa no es inhibida por su producto la G6P, mientras que la hexocinasa si lo es.

Los hepatocitos, a diferencia de la mayoría de células, son permeables a la glucosa y son por tanto insensibles a la acción de la insulina en el transporte de glucosa. Cuando los niveles de glucosa son bajos, el hígado no compite con otros tejidos por la glucosa debido a que la toma de glucosa extra hepática es estimulada en respuesta a la insulina. Contrariamente, cuando las concentraciones de glucosa son altas las necesidades extra hepáticas son satisfechas y el hígado toma glucosa para su conversión en glicógeno para ser utilizada en el futuro. Bajo condiciones de altas concentraciones de glucosa, los niveles de glucosa en el hígado serán altos y la actividad de la glucocinasa también estará alta. La G6P producida por la glucocinasa es rápidamente convertida a G1P por la fosfoglucomutasa, para luego ser incorporada en el glicógeno.

Transportadores de Glucosa

Una de las respuestas más importantes de los tejidos extra hepáticos a la insulina es el reclutamiento, a la superficie celular, de los complejos de transporte de glucosa. Los transportadores de glucosa comprenden una familia de 5 miembros, GLUT-1 a GLUT-5. Los transportadores de glucosa facilitan el transporte de esta a través de la membrana celular sin la necesidad de energía. Estos transportadores pertenecen a una familia de proteínas llamadas transportadoras de solutos. Específicamente, los nombres oficiales de los genes para los GLUTs son familia de transportadores de solutos 2 (transportador de glucosa facilitada). Así, el símbolo del gen de GLUT1 es SLC2A1, GLUT2 es SLC2A2, GLUT3 es SLC2A3, GLUT4 es SLC2A4, y GLUT5 es SLC2A5.

El transportador GLUT1 se encuentra distribuido de forma ubicuita en varios tejidos. El transportador GLUT2 se encuentra primariamente en el intestino, células beta del páncreas, riñones e hígado. Las moléculas de GLUT2 pueden transportar tanto glucosa como fructosa. Cuando las concentraciones de la glucosa sanguínea se incrementan en respuesta al consumo de comida, el transportador GLUT2 aumenta el ingreso de glucosa a las células beta del páncreas lo que resulta en la secreción de insulina. Por esta razón, se cree que el GLUT2 es un "censor" de glucosa. El transportador GLUT3 se encuentra principalmente en las neuronas pero también esta en el intestino. Este transportador se una a la glucosa con gran afinidad (tiene uno de los Km mas bajos de los GLUT) lo que permite a las neuronas tener un acceso mayor a la glucosa especialmente bajo condiciones de bajas concentraciones de glucosa. El transportador GLUT5 se encuentra en el intestino delgado y testículos y esta principalmente involucrado en el transporte de fructosa. El GLUT5 es también el principal transportador de glucosa en la membrana del retículo endoplasmático (RE) y tiene la función de transportar glucosa al citosol luego de su de-fosforilación por la enzima del RE, glucosa 6-fosfatas. Los tejidos sensibles a la insulina, como el músculo esquelético y el tejido adiposo, contienen el transportador GLUT4 cuya movilización a la superficie celular es estimulada por acción de la insulina.

Estudios recientes demuestran que el receptor de la superficie celular del virus de leucemia de las células T humano (HTLV) es el transportador GLUT1.